Energiewirtschaftliche Analysen des deutschen Strommarkts mit agentenbasierter Simulation

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1 Massimo Genoese Energiewirtschaftliche Analysen des deutschen Strommarkts mit agentenbasierter Simulation Nomos

2 Inhalts verzeichni s Abbildungen 15 Tabellen 19 Abkürzungen ' 21 1 Einleitung Ausgangslage und Problemstellung Zielsetzung und Lösungsweg 24 2 Rahmenbedingungen und Entwicklungen in der deutschen Elektrizitätswirtschaft Gesetzliche Regelungen zur Liberalisierung des Energiesektors Übersicht über ausgewählte Marktplätze für den Stromhandel in Deutsch- land Terminmarkt Spotmarkt Intraday-Markt Regelenergiemärkte Ablauf des Marktgeschehens Wettbewerbliche Elektrizitätsmärkte und Marktmacht Messung von Marktmacht Studien zu Marktmacht auf dem deutschen Strommarkt Die Entwicklung des Emissionshandels Hintergrund des Emissionshandels Ausgewählte Aspekte des Kyoto-Protokolls EU-Emissionshandel und Burden-Sharing Umsetzung des Emissionshandels in Deutschland Treibhausgas-Emissionsgesetz Nationale Allokationspläne Kritische Betrachtung des europäischen Emissionshandelssystems Emissionsminderungsbestrebungen nach Wechselwirkungen zwischen Brennstoff-, Strom- und CCVZertifikatepreisen 55

3 10 Inhaltsverzeichnis 2.5 Ausgewählte Förderinstrumente in der Elektrizitätswirtschaft Erneuerbare-Energien-Gesetz Kraft-Wärme-Kopplungs-Gesetz Zusammenfassung 60 3 Investitionsentscheidungen in der Elektrizitätswirtschaft Charakterisierung von Investitionsentscheidungen Unsicherheitsfaktoren bei Investitionsentscheidungen Stromgestehungskosten von Kraftwerken Entwicklung der Strompreise Energiepolitische Rahmenbedingungen Wettbewerbsintensität und Verhalten der Wettbewerber Entwicklung der erneuerbaren Energien Entwicklung der Nachfrage Entwicklung der Kraftwerkstechnik Berücksichtigung von Unsicherheiten bei Investitionsentscheidungen Das Konzept des Peak-Load-Pricing Versorgungssicherheit und Investitionsanreize in deregulierten Elektrizitätsmärkten Steuerung der langfristigen Versorgungssicherheit durch Marktparameter Zahlungen für installierte Kapazität Weitere Mechanismen zur Erhöhung von Versorgungssicherheit Zusammenfassung 81 4 Modelle für die Simulation des Elektrizitätssektors Anforderungen an Modelle des Stromsektors Überblick über Energiemodelle Energiesystemmodelle (Bottom-Up-Modelle) Optimierende Energiesystemmodelle Simulationsmodelle Vergleich von optimierenden Modellen und agentenbasierter Simulation Weitere Modellierungsansätze Schwächen etablierter Ansätze und Auswahl eines Modelltyps Agentenbasierte Simulation in der Energiewirtschaft Modelle mit kurzfristigem Betrachtungshorizont zur Analyse von Märkten Analyse von Marktmacht und Markteffizienz 92

4 Berücksichtigung von Netzengpässen bei der Analyse von Marktmacht und Markteffizienz Analyse der Marktausgestaltung mittels Kopplung an weitere Modelle Vertragswechselverhalten von Konsumenten Modelle zur Analyse der langfristigen Entwicklung von Märkten Modellierung von Investitionsentscheidungen Modellierung von sektorübergreifenden Aspekten Schlussfolgerungen < _ Entwicklung des agentenbasierten Simulationsmodells PowerACE Überblick über das Modell Mathematische Modellbeschreibung Modellierung der Märkte Modellierung der Energieversorgungsunternehmen Bietstrategien der Agenten auf den Märkten Simulation des Kraftwerkseinsatzes Modellierung der strategischen Ausbauplanung Integration eines Reinforcement Learning Algorithmus in das Modell Modellierung weiterer relevanter Marktteilnehmer Anbieter von Strom aus erneuerbaren Energiequellen Akteure der Elektrizitätsnachfrage Allokation von Emissionsberechtigungen Datenbasis für das Modell Analyse und Modellierung des Kraftwerksparks Wirkungsgrade Variable und fixe Kosten Verfügbarkeit von thermischen Kraftwerken Laständerungsverhalten Entwicklung des Kraftwerksparks Sterbelinien des deutschen Kraftwerksparks Geplanter Zubau von konventionellen Kraftwerken Konventionelle Technologieoptionen für das Modell Brennstoffpreise CO 2 -Preise ' Elektrizitätsnachfrage Elektrizität aus erneuerbaren Energiequellen Stromaußenhandel 149

5 12 Inhaltsverzeichnis Implementierung und Benutzeroberfläche des Modells Datenhaltung Szenario- und Parameterdefinition Simulation Auswertung Zusammenfassung Kurzfristige Simulation des Strommarktes Validierung des Modells " - - ' Validierung der simulierten Strompreise Validierung von Elektrizitätsproduktion und CO 2 -Emissionen Statistische Validierung des Modells Analyse von Einflussfaktoren auf den Strompreis Höhe der Einpreisung des CO 2 -Preises Technologieunabhängige Einpreisung Technologiespezifische Einpreisung Windfall Profits Zusammenfassung Marktmacht auf dem deutschen Strommarkt Diskussion der Ergebnisse der Strommarktsimulation 2005 und Strukturelle Marktmacht auf dem deutschen Strommarkt Ausübung von Marktmacht Zusammenfassung Auswirkungen der Einspeisung von Strom aus erneuerbaren Energiequellen Simulation von Investitionsentscheidungen Rahmenannahmen der langfristigen Simulation Brennstoff-und CO2-Zertifikatepreisvariationen Entwicklung von Nachfrage und erneuerbaren Energien Zum Einfluss von Allokationsverfahren auf Investitionsentscheidungen Betrachtete Allokationsszenarien Entwicklung des Energiesystems Entwicklung der Strompreise Entwicklung der CCVEmissionen Zusammenfassung 196

6 13 8 Schlussfolgerungen und Ausblick Das entwickelte Modell zur Abbildung des liberalisierten deutschen Strommarktes Kritische Würdigung und Grenzen der Aussagefähigkeit des entwickelten Modells Schlussfolgerungen aus den Modellrechnungen Einsatz des Modells als Experimentallabor in der Lehre Ausblick auf zukünftige Forschungsvorhaben Weitere Anwendungsgebiete für das bestehende Modell Methodische Weiterentwicklungen Zusammenfassung 209 A Appendix A 213 A.l CO 2 -Einsparpotential der Industrie 213 A.2 Stromaustauschprofil einer Frühlings- und Herbstwoche 213 A.3 Angekündigte und kürzlich realisierte Kraftwerksneubauten in Deutschland 214 A.4 Reststrommengen der deutschen Kernkraftwerke 215 A.5 Benutzeroberflächen PowerACE 216 A.6 Oberfläche für die Verwaltung der Batch-Runs 216 Literaturverzeichni s 217